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1. Die Schmelzflusselektrolyse im Einsatz der Metallurgie
1. 1. Definition der Schmelzflusselektrolyse
Die Schmelzflusselektrolyse ist ein chemisches Verfahren, bei dem durch Zufuhr von elektrischem Strom eine Elektrolyt-(meist Salz-) schmelze dissoziiert wird.
Die Mindestenergie entspricht dabei der Bildungsenthalpie.
1. 2. Verwendungsmöglichkeiten
Die dadurch mögliche Zerlegung von Verbindungen (insbesondere Metall-verbindungen) in ihre Edukte wird technisch zur Herstellung von Metallen mit besonders niedrigen Standardpotentialen eingesetzt. Diese lassen sich aus wässrigen Lösungen ihrer Salze nicht gewinnen, da die Bildungsenergie meist zu hoch ist und daher das Wasser elektrolysiert wird.
Ein gutes Beispiel ist die
1. 2. 1. Natriumherstellung in der DOWNS-Zelle,
bei der großtechnisch, durch elektrolytische Zersetzung von geschmolzenem Natriumchlorid - nach dem so genannten Downs-Verfahren mit einem Gemisch aus Natrium-, Calcium- und Bariumchlorid - Natrium gebildet wird. Diese Zusätze dienen in erster Linie dazu den Schmelzpunkt des Ausgangsmaterials von etwa 800 °C auf ungefähr 600 °C zu senken und so die Wirtschaftlichkeit zu steigern.
Nun zum Aufbau der von Downs entwickelten Zelle. Die Hülle der Elektrolysezelle ist ein zylindrischer Eisenbehälter, der mit feuerfesten Steinen ausgemauert ist. Von unten ragt eine Anode aus Graphit mittig in den Zylinder hinein. Bei einem Stromfluß mit einer Spannung von etwa 7 Volt und einer Stromstärke von etwa 35 Kiloampère wandern die negativen Chloridionen zur positiven Anode und werden dort zu Chlorgas oxidiert. Darüber befindet sich eine Metallglocke die das Gas ableitet. Um einen Kontakt mit dem elementaren Natrium auszuschließen, taucht der Chlorabzug in die Schmelze ein.
Das an der Kathode reduzierte Natrium ist nämlich leichter (hat die kleinere Dichte) als die Natriumchloridschmelze.
Anode: 2 Cl- ± Cl2 + 2e- (Reduktion)
Kathode: 2 Na+ + 2e- ± 2 Na (Oxidation)
1. 2. 2. Die Calciumherstellung
Ähnlich der Natriumherstellung wird auch bei Calcium eine Elektrolyse durchgeführt. Der Elektrolyt ist allerdings Calciumhydroxid.
Die Arbeitstemperatur der Elektrolyseanlage liegt bei 850 °C
1. 2. 3. Die Magnesiumherstellung
Die technische Gewinnung von Magnesium erfolgt vorwiegend nach zwei Verfahren:
Die Schmelzflusselektrolyse von Magnesiumchlorid und die thermische Reduktion von Magnesiumoxid. Uns soll heute ausschließlich das Erstgenannte interessieren. Hierbei geht man von wasserfreiem MgCl2 aus, das durch Entwässern von Hydraten in HCl-Atmosphäre oder durch Umsetzung von MgO mit Koks (oder Kohlenstoffmonoxid) und Chlor gewonnen werden kann.
MgO + Cl2 + C ± MgCl2 + CO
Das wasserfreie Chlorid (Schmelztemp.:718 °C) wird unter Verwendung von Alkalichloriden oder Flußspat als Flußmittel geschmolzen und bei etwa 700 °C durch Elektrolyse in Magnesium und Chlor zersetzt.
MgCl2 ± Mg2+ + 2 Cl-
2 Cl- ± Cl2 + 2 e- (Anode-Oxidation)
Mg2++ 2 e- ± Mg (Kathode-Reduktion)
MgCl2 ± Cl2 + Mg (Gesamtreaktion) DH = + 641,8 kJ
Das dabei entstandene Chlorgas wird wieder zur Darstellung des wasserfreien Chlorids eingesetzt. Als Anodenmaterial dient Acheson-Graphit, als Katodenmaterial Eisen. Das flüssig anfallende Magnesium (Schmelztemp.: 657 °C) steigt an die Oberfläche der Schmelze und wird periodisch mittels eines "Saugwagens" in einen Tiegel (Fassungsvermögen: ca. 1t) abgefüllt.
1. 3. Wirtschaftliche Kenngrößen zum Einsatz der Schmelzflusselektrolyse
Die Unterhaltungskosten von Elektrolyseanlagen sind größtenteils Stromkosten. Daher wird bei elektrolytisch erzeugten Metallen auch angegeben, wieviel Kilowattstunden zur Herstellung von einem Kilogramm notwendig sind. Nur um euch einen Vergleichswert zu geben: Um ein Kilogramm Natrium zu gewinnen werden 10 Kilowattstunden Strom verbraucht. Das ist genug, um in einem großen Einfamilienhaus einen ganzen Tag Fernseher, Kühlschrank und Licht zu versorgen.
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